El satélite FERMI busca señales de ondas gravitacionales de longitud de onda extremadamente larga


Los agujeros negros supermasivos que se fusionan en los centros de las galaxias en fusión llenan el universo con ondas gravitacionales de baja frecuencia. Los astrónomos han estado buscando estas ondas utilizando grandes radiotelescopios para buscar el efecto sutil que estas ondas del espacio-tiempo tienen en las ondas de radio emitidas por los púlsares dentro de nuestra galaxia. Ahora, un equipo internacional de científicos ha demostrado que la luz de alta energía recolectada por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA también se puede usar en la búsqueda. El uso de rayos gamma en lugar de ondas de radio ofrece una visión más clara de los púlsares y proporciona una forma independiente y complementaria de detectar ondas gravitacionales.

Orbitando a 500 km sobre la tierra, el Telescopio de Área Grande Fermi recolecta rayos gamma de púlsares de milisegundos. A medida que estos fotones de alta energía viajan a través de la Vía Láctea, se encuentran con un mar de ondas gravitacionales de baja frecuencia producidas por pares de agujeros negros supermasivos que se fusionan en los centros de las galaxias fusionadas. Las ondas del espacio-tiempo, con longitudes de onda que se extienden más allá de los 100 billones de kilómetros, hacen que cada fotón llegue un poco antes o un poco más tarde de lo esperado. El seguimiento de los rayos gamma de muchos de estos púlsares de milisegundos, un experimento conocido como conjunto de sincronización de púlsares, puede revelar esta firma reveladora. Las matrices de sincronización de púlsares solo han utilizado anteriormente radiotelescopios sensibles. Ahora, los datos de Fermi están habilitando una matriz de sincronización de púlsares basada en rayos gamma y brindando una visión nueva y clara de estas ondas gravitacionales. Crédito: Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

Los hallazgos de un equipo internacional de científicos que incluye a Aditya Parthasarathy y Michael Kramer del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania, se publican en Science esta semana.

Un mar de ondas gravitacionales

En el corazón de la mayoría de las galaxias, conjuntos de cientos de miles de millones de estrellas como nuestra propia Vía Láctea, se encuentra un agujero negro supermasivo. Las galaxias se atraen entre sí por su inmensa gravitación, y cuando se fusionan, sus agujeros negros se hunden en el nuevo centro. A medida que los agujeros negros giran hacia adentro y se fusionan, crean largas ondas gravitacionales que se extienden cientos de billones de kilómetros entre las crestas de las ondas. El universo está lleno de estos agujeros negros supermasivos fusionados, y lo llenan con un mar de ondas de espacio-tiempo de baja frecuencia.

Los astrónomos han estado buscando estas ondas durante décadas al observar los pulsos de los púlsares, los densos restos de estrellas masivas. Los púlsares giran con extrema regularidad y los astrónomos saben exactamente cuándo esperar cada pulso. El mar de ondas gravitacionales, sin embargo, se altera sutilmente cuando los pulsos llegan a la tierra, y monitorear con precisión muchos púlsares en el cielo puede revelar su presencia. Las búsquedas anteriores de estas ondas han utilizado exclusivamente grandes radiotelescopios, que recogen y analizan las ondas de radio. Pero ahora, un equipo internacional de científicos ha buscado estas variaciones diminutas en más de diez años de datos recopilados con el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, y su análisis muestra que la detección de estas ondas puede ser posible con solo unos pocos años de observaciones adicionales.

«Fermi estudia el universo en rayos gamma, la forma de luz más energética. Nos ha sorprendido lo bueno que es para encontrar los tipos de púlsares que necesitamos para buscar estas ondas gravitacionales, más de 100 hasta ahora», dijo Matthew Kerr. , físico investigador del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington. «Fermi y los rayos gamma tienen algunas características especiales que juntos los convierten en una herramienta muy poderosa en esta investigación».

Los resultados del estudio, codirigido por Kerr y Aditya Parthasarathy, investigadora del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania, se publicaron en la edición del 7 de abril de Science.

Relojes cósmicos

La luz toma muchas formas. Las ondas de radio de baja frecuencia pueden atravesar algunos objetos, mientras que los rayos gamma de alta frecuencia explotan en lluvias de partículas energéticas cuando se encuentran con la materia. Las ondas gravitacionales también cubren un amplio espectro y los objetos más masivos tienden a generar ondas más largas.

La longitud de una onda gravitatoria, u ondulación en el espacio-tiempo, depende de su fuente, como se muestra en esta infografía. Los científicos necesitan diferentes tipos de detectores para estudiar la mayor parte posible del espectro. Crédito: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Es imposible construir un detector lo suficientemente grande como para detectar las ondas de un billón de kilómetros impulsadas por la fusión de agujeros negros supermasivos, por lo que los astrónomos usan detectores naturales llamados matrices de sincronización de púlsares. Estas son colecciones de púlsares de milisegundos que brillan tanto en ondas de radio como en rayos gamma y que giran cientos de veces cada segundo. Al igual que los faros, estos haces de radiación parecen pulsar regularmente a medida que barren la tierra, y cuando pasan a través del mar de ondas gravitacionales, quedan impresos con el leve retumbo de los agujeros negros distantes y masivos.

Una sonda única

Los púlsares se descubrieron originalmente usando radiotelescopios, y los experimentos de matriz de sincronización de púlsares con radiotelescopios han estado operando durante casi dos décadas. Estos platos grandes brindan la mayor sensibilidad a los efectos de las ondas gravitacionales, pero los efectos interestelares complican el análisis de los datos de radio. El espacio está mayormente vacío, pero al cruzar la gran distancia entre un púlsar y la Tierra, las ondas de radio todavía encuentran muchos electrones. Similar a la forma en que un prisma desvía la luz visible, los electrones interestelares desvían las ondas de radio y alteran su tiempo de llegada. Los rayos gamma energéticos no se ven afectados de esta manera, por lo que proporcionan un método complementario e independiente de sincronización de púlsares.

«Los resultados de Fermi ya son un 30% mejores que los conjuntos de sincronización de radio púlsar cuando se trata de detectar potencialmente el fondo de ondas gravitacionales», dijo Parthasarathy. «Con otros cinco años de recopilación y análisis de datos de púlsares, será igualmente capaz con la ventaja adicional de no tener que preocuparse por todos esos electrones perdidos».

Una matriz de sincronización de púlsares de rayos gamma, no prevista antes del lanzamiento de Fermi, representa una nueva y poderosa capacidad en la astrofísica de ondas gravitacionales.

«Detectar el fondo de ondas gravitacionales con púlsares está al alcance, pero sigue siendo difícil. Un método independiente, que se muestra aquí inesperadamente a través de Fermi, es una gran noticia, tanto para confirmar hallazgos futuros como para demostrar sus sinergias con experimentos de radio», concluye Michael Kramer, director de el MPIfR y jefe de su departamento de investigación de Física Fundamental en Radioastronomía.

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